Обговорення механізму електропровідності чистої води в рамках моделі Б'єрруму

Abstract

An alternative mechanism of electrical conductivity and ionization of molecules in pure water is considered. Calculation of the temperature dependence for the activation energy of ionization of water molecules was carried out using data on the value of its ionic product. The calculated activation energies for the ionization and flow processes show the presence of a certain proportionality between them. This suggests that the ionization of water is caused by intermolecular forces rather than intramolecular forces. Accordingly, the electrical conductivity of water is associated with the appearance and movement in it of L and D defects of hydrogen bonds between water molecules, which have significant electrical pseudo charges and are considered in the Bjerrum model for ice. This work proposes a new interpretation of the mechanism of ionization (pseudoionization) of molecules and generation of L and D defects in water. Rotation is considered not for one, but for two of its molecules in opposite directions with partial compensation of their angular momentum, and the breaking of not three bonds for one molecule, but four bonds with neighbors for two molecules. Moreover, these four neighbors do not include molecules from water clusters that have stronger bonds, since neighboring molecules with weaker bonds can be found for the process of rotation activation. Accordingly, the exponential contribution made by molecules from water clusters is absent or small in the ionization activation energy. In this way, the activation energy for the flow, which occurs throughout the entire volume of the liquid and automatically includes molecules from clusters, differs from the activation energy of electrical conductivity, which occurs for individual molecules in chains of bonds. The presence of a maximum in the ionic product of water near 250 ⁰C can be explained by the rapid decrease in the lifetime of L and D defects with heating, which prevents the use of the standard equation for accurate calculation of the ionization activation energy above 100...200 ⁰C. However, the presence of this maximum contradicts the generally accepted model of proton hopping between neighboring hydronium and water molecules in the mechanism of its electrical conductivity.Розглянуто альтернативний механізм електропровідності та іонізації молекул у чистій воді. Розрахунок температурної залежності енергії активації іонізації молекул води проведено за даними величини його іонного добутку. Розраховані енергії активації для процесів іонізації та течії показують наявність між ними певної пропорційності. Це дозволяє припустити, що іонізація води викликана міжмолекулярними силами, а не внутрішньомолекулярними. Відповідно, електропровідність води пов'язана з появою та переміщенням у ній L і D дефектів водневих зв'язків між молекулами води, які мають значні електричні псевдозаряди та розглянуті у моделі Б'єррума для льоду. У цій роботі запропоновано нову інтерпретацію механізму іонізації (псевдоіонізації) молекул та генерації L і D дефектів у воді. Розглядається обертання не для однієї, а для двох її молекул у протилежних напрямах з частковою компенсацією їх моментів імпульсів, і розривом не трьох зв'язків однієї молекули, а чотирьох зв'язків із сусідами для двох молекул. При цьому в число цих чотирьох сусідів не включаються молекули з водних кластерів, які мають сильніші зв'язки, оскільки для процесу активації обертання можна знайти сусідні молекули з більш слабкими зв'язками. Відповідно, в енергії активації іонізації відсутній або малий експоненційний внесок, який надають молекули з водних кластерів. Цим енергія активації для течії, що відбувається у всьому об’ємі рідини та автоматично включає й молекули з кластерів, відрізняється від енергії активації електропровідності, яка відбувається для окремих молекул у ланцюжках зв'язків, вздовж яких рухаються псевдозаряди. Наявність максимуму іонного добутку води поблизу 250 ⁰С можна пояснити наслідком швидкого зменшення часу життя L і D дефектів з нагріванням, що перешкоджає застосуванню стандартного рівняння для точного розрахунку енергії активації іонізації вище 100…200 ⁰С. Водночас наявність цього максимуму також суперечить загальноприйнятій моделі перескоків протонів між сусідніми молекулами гідроксонію та води в механізмі її електропровідності.